Штучний фотосинтез вуглеводнів

Лист дерева, трави чи водоростей: все це в природних умовах здатне виробляти біомасу, або ж паливо, з простого поєднання води, сонячного світла і вуглекислого газу через диво фотосинтезу. І от вчені говорять, що шляхом комбінування фізики, хімії та біології вони відтворили і покращили цей процес.

Дослідники розробили "штучний лист", який дозволяє накопичувати сонячну енергію у вигляді рідкого палива. Ця нова технологія одного чудового дня може забезпечити заправку вашого транспортного засобу і... вбити нафтодобувну і нафтопереробну галузі.

Деніел Носера (Daniel Nocera) з Гарвардського університету і Памела Силвер з Гарвардської медичної школи у співпраці розробили нову геліосистему, яка може:

- розчеплювати молекули води з виділенням водню;
- відділяти бактерій, що харчуються воднем, від води

з метою вироблення рідкого палива.

У роботі, оприлюдненій в журналі Science 3 червня 2016 р., колектив науковців продемонстрував не тільки процес вироблення новою системою придатного для використання палива, але і вражаючу ефективність цієї системи.
- В принципі, ми маємо платформу, яка може синтезувати будь-яку молекулу на базі вуглецю із ряду нафтових вуглеводнів, - сказала П. Силвер. Вона додала, що платформа може бути дуже універсальною.

             Поточна модель розроблена на основі раніших досліджень цієї ж групи Носери-Силвер. Їхня перша модель так званого біонічного листу 2015 року створення стикнулася з низкою проблем, зокрема виділення активного кисню, що знищував ДНК воднеїдних бактерій. Також перша модель мала каталізатор виділення водню з нікель-молібден-цинкового сплаву. Вона потребувала для роботи надто високу напругу, що знижувало її ефективність. Незважаючи на труднощі, попередня модель біонічного листу була придатна з використанням сонячної енергії виробляти 216 міліграм ізопропілового спирту на літр води.
           Нова версія, Біонічний лист 2.0, містить вже каталізатор з кобальт-фосфорного сплаву і не виділяє активного кисню. Можливість працювати на низькій напрузі дозволяє значно підвищити рівень ефективності системи.
           Біонічний лист 2.0 може накопичувати сонячну енергію в біомасу з коефіцієнтом корисної дії (ККД) 10 %. Іншими словами, на кожну кіловат*годину спожитої сонячної енергії мікроби забирають 130 г CO2 із 230000 літрів повітря, утворюючи 60 г ізопропанола. Це значення на порядок вище того, що спостерігається у природі для найбільш швидко зростаючих видів рослин (ККД 1 %).
             Нова модель також може синтезувати ізопентанол, ізобутанол і щось таке як прообраз пластика, названого біо-пластик PHB. Самовідновлююча здатність каталізатора запобігає його витоку в готовий розчин.
            - Це важливе відкриття доводить, що ми можемо здійснити процес синтезу вуглеводнів краще, ніж за природного фотосинтезу. Та я також хотів би розвинути цю технологію до рівня, придатного для широкого впровадження в країнах, що розвиваються, - сказав Деніел Nocera.

Разом з тим Носера визнає, що біонічний лист найближчим часом не буде конкурувати за ціною з викопним паливом, особливо тому, що мікроби ще не виробляють паливо так швидко, як хотілося б. Найбільша продуктивність існуючої моделі на сьогодні розраховується на літри штучного палива в день, хоча команда не виявила обмежень до того, щоб виготовляти продуктивніші установки.
Ця нова технологія стала сторінкою у книзі рукотворних чудес матері-природи і дозволила використати фотосинтез для перетворення сонячної енергії в паливо. Останні дослідження профінансовані в рамках програми Гарвардського університету "Перші 100 Ватт", підтримані управліннями наукових досліджень військово-морських сил та військово-повітряних сил, Інститутом біоінженерії Вісса та іншими.